黄志强

（厦门芯阳科技股份有限公司，福建 厦门 361100）

1 锅炉熨斗一般设计需求

设计任何产品首先要考虑的是满足消费者的需求，给消费者带来便利，锅炉熨斗也不例外。锅炉熨斗可以持续不断地出一定量的热蒸汽，同时也可以产生短暂的强力蒸汽，适合熨烫比较厚的衣物。锅炉熨斗要求能持续不断地出热蒸汽，使用过程中蒸汽不能中断，这就对锅炉的补水控制有很高的要求。确保锅炉内部有一定的水量，不能干烧；在补水时不能使锅炉内温度降低太多而使蒸汽中断；不能补水太多，避免在释放蒸汽时锅炉内水因沸腾而直接喷出。当蒸汽开关打开控制出蒸汽时不可以有水滴出来，要求锅炉温度和熨斗本体温度低时，按出蒸汽开关时也不能打开电磁阀释放蒸汽。

2 锅炉熨斗规格

常规的锅炉熨斗的锅炉加热管功率2000W，用于加热锅炉，使锅炉达到一定的温度；锅炉总容积700mL，可以形成相当量的饱和蒸汽；交流水泵45W，每分钟抽水量240mL，用于从水箱里把水泵到锅炉内；交流电磁阀12W，当需要出蒸汽时，通过检测出蒸汽开关，在锅炉蒸汽达到特定要求时控制电磁阀，打开出蒸汽管道；熨斗部分功率900W，作为熨烫面料的部件，当出蒸汽时可以对蒸汽进行二次加热。

3 锅炉熨斗产生蒸汽过程

锅炉熨斗产生蒸汽过程图如图1 所示。开始使用前在锅炉熨斗的水箱①中加入适量水；熨斗通上电后，根据需要抽水泵②将水箱①中的水抽到锅炉③内；锅炉进行加热，使锅炉内部产生一定温度和压力的饱和蒸汽；用户进行熨烫过程中需要出蒸汽时，通过熨斗本体⑤上的控制开关，控制电磁阀④打开锅炉出蒸汽的通道，蒸汽输出到熨斗本体⑤进行二次加热；最终产生高温蒸汽⑥，达到对衣物快速去皱的效果。

图1 锅炉熨斗产生蒸汽过程图

4 主要硬件电路

锅炉熨斗控制板的电源部分电路图如图2 所示。电源芯片采用必易KP3110，该芯片是一款非隔离型、高集成度、低成本的PWM 功率开关，此电路可提供5V 大于150mA 的电源。电路中TVR1 压敏电阻用于浪涌干扰吸收，防止大的浪涌干扰损坏电子器件。R1 作用类似TVR1，但R1 是分担电源电路及后端所串接的电子器件的干扰。D2、D3 这2 个二极管串接的目的是当反向打高压脉冲测试时，因二极管单个耐压只有1000V，串接2 个可以降低反向击穿可能性，避免KP3110 反电击损伤。E1、L1、E2 组成π型滤波电路，对经过D2、D3 二极管整流后的市电进行滤波。R6 电阻用于调整最大输出负载电流。L2 为buck 电路储能电感，在KP3110 内部开关导通时间内L2 进行储能，L2 电感电流增加，并对E3 电容供电；当KP3110 内部开关关断时L2 及D4 持续对E3 供电。在L2、D4 对E3 供电的同时，L2 和D1 组成的电路也同步对C1 进行供电。C1为KP3110 提供工作电源，同时也是KP3110 稳定电压的电压基准。当C1 电压高于5V 时，KP3110 内部开关导通一定时间后关断一定时间，并持续开通及关断；当C1 电压达到5V 时，KP3110 关断后就不再导通，直到电压降低到5V 以下再重新导通，进而达到稳定电压输出。

图2 电源电路图

水泵驱动电路如图3 所示。水泵一端接L 线，一端接到电路中的PUMP。采用单相可控硅SCR1 驱动交流水泵。交流水泵本身内带二极管，实际的作用只用电源的正半周，因此可以采用单相可控硅来驱动。R41 用于给可控硅的驱动偏置，使可控硅在刚上电或没有驱动信号时驱动脚为稳定的低电平，避免水泵误动作。R39 接到MCU 的水泵驱动IO 口。单相可控硅一般驱动电流只要两200 μA 左右就可以导通，比较容易受到干扰，预留C10 作为抗干扰器件。D7 二极管用于加强可控硅的反向耐压，MCR100-8 的可控硅反向耐压为400 V，增加D7 整流二极管可以大大提升可控硅的反向耐压。C7 电容和R38 电阻为预留对策EMC 器件。

电磁阀的驱动电路如图4 所示，电磁阀为交流电磁阀，一端接L，一端接电路中VALVE。采用双向可控硅Q3 驱动，R11 为偏置电阻，C13 为预留抗干扰电容，功能如图3 中的R41 和C10。R14 连接到MCU 的IO 口，用于驱动双向可控硅。电磁阀功率只有12 W，流过电磁阀的电流只有55 mA左右。一般双向可控硅的工作象限在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，对驱动电流要求会比较低，导通压降也比较小。但考虑成本因素（采用低成本的非隔离电源架构），该设计可控硅工作在Ⅰ、Ⅳ象限，虽然用到第Ⅳ象限，但因驱动的负载功率足够小，Ⅳ象限的设计并不会产生问题。

图3 水泵驱动电路

图4 电磁阀驱动电路

继电器驱动电路如图5 所示，采用继电器控制加热管进行加热，加热管一端接OUT1，一端接N 线。锅炉加热和熨斗本体加热都采用继电器控制，继电器用5 V 电源供电，MCU 的驱动信号通过R13 电阻再经过Q2 三极管进行放大来驱动继电器，MCU 输出高电平时三极管进入饱和导通状态，继电器触点吸合，加热管通电加热。当MCU 输出低电平时三极管截止，继电器触点断开，加热管断电不加热。D5 为开关二极管，用于在继电器驱动断开时进行续流，使继电器线圈的电流不会对驱动三极管产生冲击。开关二极管的反向恢复时间非常快，在4 ns 左右，而普通整流二极管的反向恢复时间为微秒级，使用开关二极管比普通整流二极管的吸收冲击电流效果要好很多。在继电器的触点输出端增加了触点异常的检测电路，由R2、R8、R12 构成。当继电器吸合时，市电电压经过电阻分压再输入MCU 的IO 口，虽然分压比大约为1/10，理论电压峰值为220×1.414×100/（100+470+470），大约30 V，因MCU 的IO 内部有保护二极管（对地和对电源的2 个二极管），30 V 的小电流信号到IO 会被钳位到0 V 和5 V 左右，实际到IO 口就是接近方波信号。即当继电器正常吸合时，MCU 可以检测到方波信号，继电器断开时，MCU检测到持续的低电平信号。如果继电器吸合时未检测到方波信号，说明继电器异常或检测电路异常；如果继电器断开时检测到方波信号，说明继电器触点未能正常断开，在这种情况下需要进行异常报警提示。

图5 继电器驱动电路

NTC 测温电路（NTC 为负温度系数热敏电阻）如图6 所示。NTC 组件接到CN23 接线端子上，用于检测锅炉温度。NTC 与电阻串联接在5 V 和GND 之间，通过R75 电阻C1 电容滤波后接到MCU 的AD 口进行电压检测。软件换算出阻值，并根据NTC 的RT 表对应到相应温度，NTC 安装在锅炉的底部。

图6 NTC 测温电路

5 关于蒸汽、压力、温度、能量的关系

5.1 水加热到沸点所需的热量

假设1 g 的常温水初始温度为25 ℃，加热到沸点100℃，则所需要的热量为（100-25）×4.2=315 J。

5.2 水汽化所需的热量

水的汽化热为40.8 kJ/mol。

质量=摩尔质量×物质的量。

水的摩尔质量约为18 g/mol，1 mol 水质量为18 g。

1 g 水汽化所需的热量为40.8×1 000/18=2 267 J。

5.3 饱和蒸汽压力与温度关系

摩尔量=物质的质量/物质的摩尔质量，水蒸汽为18。

PV=nRT=>n/V=P/RT，其中n为摩尔量，R 为常数，n/V代表密度。

则水蒸汽的密度与压力成正比，与温度成反比[1]，见表1。

表1 饱和蒸汽温度密度绝对压力关系表

饱和蒸汽的温度密度压力关系图如图7 所示。当控制温到在140 ℃时，瞬间释放蒸汽的蒸汽量为（1.967-0.6）×700×2/3/1000=0.638 g。1.967 为140 ℃时锅炉内部的饱和蒸汽密度（单位kg/m3），0.6 为标准大气压下的饱和蒸汽密度（单位kg/m3），700 为锅炉容量（单位为mL），2/3 是以锅炉内水位为1/3 时锅炉内的蒸汽占比，除1000 为单位换算。

图7 饱和蒸汽温度密度绝对压力曲线

控制140 ℃饱压后释放蒸汽可释放的蒸汽量为0.638 g。

5.4 连续出蒸汽时的平衡补水点

水泵一秒可以抽水4 g，锅炉功率2 000 W，先计算水泵补水一秒需要加热多久形成蒸汽：[4×（100-25）×4.2+4×2 267]/2 000=5.164 s

（100-25）为常温水加热到沸点的温度差，4.2 为水的比热容，2 267 为为水的汽化热，也就是水泵抽一秒有4 g 的水到锅炉里面，锅炉以2 000 W 的功率连续加热5.164 s 可以把所有4 g 的水全部加热成水蒸汽[2]。因锅炉的热量并不是全部传导到水里，还有一部分会散到环境中，因此实际所需加热的时间要比5.164 s 长一些。

5.5 维持沸点功率水量平衡点

设水泵一秒可以抽水X，g，锅炉功率Y，W，计算使水保持沸点时X和Y的关系。同样以常温25 ℃水进行计算。Y=X×（100-25）×4.2=315×X。当X=4 g 时，Y=1 260 W，也即当锅炉功率如果是2 000 W，水泵流量为4 g/s 时。连续加热时，水泵连续抽水，锅炉内部的水可以一直保持沸腾状态。但如果锅炉功率小于1 260 W 时，连续的补水会使水温降低，进而中断蒸汽的输出。当Y=2 000 W 时，X=6.35 g，也即当锅炉功率为2 000 W 时，水泵流量大于6.35 g/s 时就会使蒸汽中断。当锅炉功率够大，水泵流量不会太大时，连续的抽水虽然不造成锅炉内的水温下降，但锅炉内的水位会快速上升，使锅炉内的气体空间减少，水沸腾时可能会有水直接冲到电磁阀出蒸汽口，导致热水喷出。

6 补水方案

实际的补水方案有很多关联因素无法完全用理论计算出来，例如各部件的个体差异，包括水泵流量、锅炉功率、结构等，入水温度的不确定，电网电压波动，出气管阻力不同等。因此如果只是按理论结果并按固定方式进行补水的话，很有可能会导致水量越来越少或越来越多。

目前有几种针对锅炉熨斗的控制方案，有的带水位检测探针，以控制最高水位，有的用NTC 来检测温度进而反应出蒸汽量。

6.1 有探针的锅炉补水方案

针对有探针的锅炉熨斗，初始冷态的补水可以在预热时直接补水，直到到达水位探针位置。

锅炉如果有探针，可以通过探针对水位进行检测。但探针检测在出蒸汽状态下会受蒸汽影响而误测为水位到达，这就需要等到锅炉内蒸汽量较小时再检测，也即此时的锅炉内水基本烧干，如果没有及时补水就会有干烧的问题。

该文针对有探针锅炉熨斗的补水方案如下：在出蒸汽状态下，当检测有水时，以每10 s 补水1 s（补水量小于平衡点），这样水位将会降低。当探针检测不到水时，出蒸汽状态下每5 s 补水1 s（补水量略大于平衡点），这样水位将会缓慢增加。当不出蒸汽时，如果检测有水则不补水，如果检测无水则按5 s 补1 s 的补水方式补8 个周期。这样的补水方式可以确保锅炉内的水位不会有大的变化，可以使出蒸汽比较平顺。

6.2 带NTC 的锅炉熨斗补水方案

对无探针带NTC 的锅炉熨斗，当熨斗处于冷态时，熨斗采用预加热的方式，通过NTC 的温升速度可以预估锅炉内的水量，如果预估水量小于1/3，则按预估的水量再补水到约1/3。并一直加热到NTC 检测到温度到140 ℃，关闭加热并且电磁阀可以受出蒸汽开关控制进行蒸汽释放。

关于蒸汽量的估算，按实际的测试可以拟合一个温度与水量的关系式，即M=（A-T0×B）/△T-C。其中M为水量，T0为当前温度，△T为温升速度，A、B、C 为常数。A 为和锅炉功率相关的常数，B 为锅炉的散热系数，C 为锅炉本身比热相关的常数。通过几个不同水量的温升速度测试就可以确定A、B、C 这3 个常数，进而建立水量计算公式。

从公式n/V=P/RT来看，当连续出蒸汽时压力P基本恒定，锅炉内的温度和蒸汽量成反比。补水的节奏可以根据温度进行调整，当温度高时，加快补水节奏。温度小于120 ℃时补水以15 s 补1 s 的方式进行，温度为120 ℃～130 ℃时以10 s 补1 s 的方式补水，温度为130 ℃以上时以5 s 补1 s的方式补水[3]。

当不出蒸汽时，如果压力开关动作（用于保证锅炉内的压力不会过高，压力开关直接串接在锅炉加热体，动作时可以断开加热），说明压力达到了一定的值。此时温度与蒸汽量成反比。温度高说明锅炉内的蒸汽量比较少，蒸汽未到饱和，锅炉内无液态水，此时可以进行补水。如果锅炉内完成没水，有可能无法形成压力，因此在检测到比较高的温度时要关掉锅炉加热。

7 总结

该文介绍了锅炉熨斗的蒸汽产生系统、电源供电电路和主要部件的控制驱动硬件电路。从理论基础出发，研究了锅炉温度与蒸汽压力的关系、锅炉温度与蒸汽储量的关系、加热功率与水汽化量的关系。针对带锅炉温度传感器检测和锅炉水位探针检测水位这2 种不同设计方案，分别给出了对应的加热及水泵补水控制方法。该控制方法具有普遍适用性，对进行锅炉熨斗控制的软件设计有指导性作用，包括软件控制架构，参数的设定方法等。另外也可以给类似的产品如咖啡机、蒸汽烤箱等产品提供借鉴。该文的方法通过简单的控制逻辑达到了较好的蒸汽产生效果，当然如果要达到更高的要求，如保持锅炉内温度水量精准可控，还需要进一步的深入研究。可以对整个熨斗系统建立完整的数字模型，通过测量参数与数字模型比对修正，实时了解整个系统状态，达到更高的控制要求。